不同農作措施對黃綿土坡耕地地表徑流養分流失及玉米產量的影響

羅照霞，楊志奇，馬忠明，楊虎德

(1．天水市農業科學研究所，甘肅 天水741000;2．甘肅省農業科學院，甘肅 蘭州730070;3．甘肅省農業科學院 土壤肥料與節水農業研究所，甘肅 蘭州730070)

(責任編輯 徐素霞)

黃土高原是世界最大的黃土沉積區，黃綿土疏松易侵蝕和崩塌，地面破碎，平地少斜坡多，植被稀疏，降水多集中在夏季且多暴雨，加之不合理的耕作制度，使得黃土高原易發生水土流失，氮、磷等養分物質通過農田地表徑流和農田滲漏等流失，一方面使土壤肥力下降，另一方面導致水環境污染。農業生產和生活活動引起的農業面源污染，已經成為水環境污染最重要的來源［1］。從源頭上減少氮、磷排放，阻止其進入水體，是控制農業面源污染的關鍵［2－4］。有研究表明，引起水體富營養化的養分有50% ～60%來源于農田地表徑流［5］。黃綿土坡耕地是黃土高原區主要的耕地類型，但因長期以來氮、磷肥過量及不合理施用，出現了不同程度盈余富集，導致降雨時地表氮、磷養分流失量較大，不僅降低了養分利用效率和施肥效益，還提高了徑流水中的養分含量，從而對地表和地下水環境構成了較大威脅。

坡耕地水土流失導致區域土壤質量退化和土地生產力下降。南秋菊等分析認為坡耕地土壤養分流失的關鍵因素為降雨特征、土壤性質與地形因素、耕作與管理措施［6－7］。李裕元等研究認為降雨導致有效養分在坡面遷移與流失是坡地土壤質量退化的主要原因［8］。邱學禮等認為地表覆蓋率是影響坡耕地水土流失的主要因素［9－10］。梁斐斐等研究認為，降雨強度是影響坡耕地氮、磷流失的主要因素，降雨強度越大，氮、磷流失越嚴重［11］。長期以來，對黃土高原區黃綿土坡耕地地表徑流氮、磷流失的研究鮮有報道。為此，本試驗試圖通過對不同種植模式與施肥模式下黃綿土地表徑流氮、磷流失特征的研究，得出主要種植模式與施肥模式下地表徑流中氮、磷的流失規律及流失系數，以期為確定該區種植業面源污染物流失系數提供依據。

1 材料和方法

1．1 供試材料

供試作物春玉米品種為中單2 號。供試有機肥為農家肥(全氮、全磷和全鉀的平均含量分別為0.221%、0．067% 和0．31%)、氮肥為尿素(含N 為46．4%)、磷肥為過磷酸鈣(含P2O5為12%)。

1．2 試區概況

試驗設在天水市農科所中梁試驗站試驗示范基地(34°05'N、104°05'E)，地處天水市秦州區中梁鄉三灣村。該區屬溫帶大陸性氣候，年平均氣溫為11．5 ℃，平均海拔1 650 m，年降水量500 ～600 mm。監測點地塊為山坡地，坡度15°，屬黃河支流渭河流域，是甘肅核心侵蝕區之一，在正常種植情況下地表徑流可造成中度侵蝕。監測點土壤屬黃綿土，pH 值8．6，土壤肥力指標為:有機質11．87 g/kg，全氮0．76 g/kg，全磷0．69 g/kg，有效磷18．55 mg/kg。

1．3 試驗設計

試驗共設6 個處理:①對照(CK)，不施任何肥料+條膜平作;②常規施肥+條膜平作(CON);③優化施肥+條膜平作(OPT);④優化施肥+條膜壟作(OPT +TR);⑤優化施肥+全膜平作(OPT+FM);⑥優化施肥+全膜雙壟溝+免耕(OPT+TR+FM+NT)。

常規施肥:農家肥15 000 kg/hm2、尿素300 kg/hm2;優化施肥:農家肥22 500 kg/hm2、尿素675 kg/hm2、過磷酸鈣1 050 kg/hm2、硫酸鉀225 kg/hm2。除1/3 的尿素用于大喇叭口期追肥外，其余肥料起壟前均勻撒在地表作基肥。平作:寬行行距60 cm，窄行行距40 cm;壟作:壟面寬60 cm，壟溝40 cm，壟高15 cm，壟面種植;雙壟溝:小壟寬40 cm、壟高15 cm，大壟寬60 cm、壟高10 cm，壟溝種植。玉米株距均為33 cm。

隨機區組，3 次重復，小區面積30 m2(順坡7．5 m×橫坡4 m)，不同小區之間用磚支砌，每個小區建一個徑流池(徑流池尺寸為長1 m ×寬1 m ×高1．2 m)用來收集小區徑流雨水。2008年4月20日播種，10月20日收獲。橫坡行播，人工點播，保苗6 萬株/hm2，小區內玉米于成熟期全部收獲測產，其他田間管理措施同當地大田。

1．4 測定項目及計算方法

1．4．1 徑流水樣采集與分析

每次降雨產生徑流后，記錄各徑流池水面高度(mm)，計算徑流量。在記錄徑流量后采集徑流水樣，采樣前先用清潔木板充分攪勻徑流池中的徑流水，然后利用清潔容器在徑流池不同部位、不同深度多點采樣(至少8 點)，每小區采集2 個平行徑流水樣，并立即將水樣冷凍保存。每瓶水樣不少于500 mL，一個供分析測試，另一個作為備用。分析指標為總氮(TN)、硝態氮(NO3－－N)、銨態氮(NH4+－N)、總磷(TP)和可溶性磷(TDP)。

總氮測定采用堿性過硫酸鉀消解分光光度法;硝態氮、銨態氮測定采用流動分析儀法;總磷測定采用鉬銻比色法;可溶性總磷測定采用過硫酸鉀氧化－鉬藍比色法。

1．4．2 計算方法

以地表徑流途徑流失的氮、磷量等于整個監測周期中(一個周年)各次徑流水中氮、磷的質量濃度與徑流水(或淋溶水)體積乘積之和。計算公式為

式中:P 為氮或磷的流失量;Ci為第i 次徑流水中氮或磷的質量濃度;Vi為第i 次徑流水的體積;n 為徑流水樣監測次數。

氮、磷流失系數以流失率(%)表示。以氮素為例，計算公式為

氮肥流失率(%)=(某處理氮肥流失量－對照氮肥流失量)/某處理氮肥施用量×100%

采用Excel 軟件作圖，用SPSS 16．0 進行數據顯著性分析，并用LSD 法檢驗試驗結果的差異顯著性。

2 結果與分析

2．1 不同種植模式與施肥量下地表徑流的產流特征

監測期間降雨共產生了11 次徑流。其中，6月份產生徑流3 次，產流量最大;4月份產流量最小。從表1 可以看出，總體上陡坡地平作產流量高于壟作，不利于防止水土流失，起壟種植在一定程度上可以減輕雨水向下沖刷帶走大量泥土進而帶走部分養分，有利于當季作物吸收利用。

表1 不同種植模式與施肥量下的產流特征

2．2 不同種植模式與施肥量對地表徑流中氮、磷質量濃度及形態的影響

2．2．1 地表徑流中氮、磷質量濃度分析

由表2 可見，優化施肥處理的地表徑流中氮、磷質量濃度較對照(CK)和常規施肥處理(CON)高。對照處理總氮和總磷質量濃度分別為8.967 和0．125 mg/L，常規施肥處理分別為9．692 和0．173 mg/L;優化施肥的4 個處理總氮和總磷平均質量濃度為12．421和0．253 5 mg/L，較對照分別增加38．52% 和102．80%，較常規處理分別增加28．16%和46．53%。由以上結果可以看出，即使不施任何肥料，只要有地表徑流產生就會有氮、磷流失，而施肥則增加了氮、磷的流失，加劇了對農田水環境的污染。

表2 不同種植模式及施肥量下地表徑流中氮、磷的質量濃度 mg/L

2．2．2 地表徑流中的氮、磷形態分析

地表徑流中總氮、總磷養分流失一般以泥沙結合態為主，本試驗監測年隨地表徑流產生的泥沙量極少，因此集中對地表徑流水中的總氮、總磷進行了測試研究。表3 數據顯示，試驗中總氮流失較總磷大得多，不同處理可溶性總氮(TDN)占總氮(TN)的9．36% ～14．10%，可溶性總磷(TDP)占總磷(TP)的58．87% ～81．60%。在可溶性無機養分中以硝態氮為主，其次是銨態氮。因為旱地土壤通氣性良好，硝化作用較強，尿素施入土壤中很快經氨化作用轉化成銨態氮，又經硝化細菌作用很快轉化成硝態氮，且硝態氮大多存在于土壤溶液中，遇強降水便造成損失，而銨態氮易被帶負電荷的土壤膠體吸附，不易隨徑流水流失。

表3 不同種植模式及施肥量下地表徑流中氮、磷形態 %

2．3 不同種植模式與施肥量下地表徑流中氮、磷的流失量

由表4 可以看出，優化施肥條件下，OPT +FM 處理的總氮、銨態氮、總磷、可溶性總磷流失量最多，分別達到5．313 5、0．177 4、0．112 2 和0．065 0 kg/hm2，氮、磷流失系數也最高，分別為0．939 3%和0．126 9%;OPT+TR +FM +NT 處理的總氮、銨態氮、總磷、可溶性總磷流失量最小，分別為2．756 3、0．130 2、0．051 3和0．039 4 kg/hm2，氮、磷流失系數也最小，分別為0．229 4%和0．028 1%。優化施肥4 個處理總氮、總磷平均流失量分別為3．785 1、0．078 9 kg/hm2，與CK相比分別增加96．06%、132．06%，與CON 處理相比，總氮、總磷平均流失量分別增加8．84%、11．76%。試驗結果與司友斌等［12］的研究結論一致，耕地上肥料的流失比例隨施肥量的增加而增加。

表4 不同種植模式及施肥量下地表徑流中氮、磷流失量

2．4 不同種植模式與施肥量對玉米產量的影響

從計算結果和圖1 可知，就籽粒產量而言，優化施肥處理＞常規施肥處理＞對照。其中，OPT +TR +FM+NT 處理產量最高，達到6 907．78 kg/hm2，較CK 和CON 分別提高19．53%、13．06%，差異顯著。4 個優化施肥處理相比，OPT +TR +FM +NT 處理產量較OPT、OPT+TR、OPT+FM 處理分別提高11．04%、5．74%和3．05%，各處理之間差異都不顯著。玉米秸稈產量的變化趨勢和籽粒產量基本一致，都是優化施肥處理＞常規施肥處理＞對照。分析氮、磷流失量可知，流失量大的處理帶走的氮、磷養分也多，這既不利于作物生長，又不利于防止水土流失。研究表明，農業生產中過剩的氮、磷是面源污染的主要來源，沒有被當季作物吸收利用的氮、磷，部分以地表徑流、地下淋溶的形式流失，部分氮以氨揮發的形式流失，剩下的少部分氮和大部分磷殘留在土壤中。殘留在土壤中的氮、磷在為后茬作物提供營養的同時，也增加了隨地表徑流流失的風險，導致了農田周邊水體的富營養化［13］。

圖1 不同種植模式及施肥量下玉米籽粒和秸稈產量

3 結論與討論

(1)試驗過程中發現，在相同雨強和降雨量條件下，平作的地表徑流量最大，土壤侵蝕也最劇烈;降雨強度大的階段產生的徑流量也大，從而產流系數也大。這一結論與林超文等［14］的研究一致。張麗等人也認為，作物生育期和降雨量、降雨強度都是影響坡耕地養分流失的重要因素［15］。本研究結果表明，陡坡地橫坡平作種植不利于攔蓄地表徑流和提高土壤含水量。試驗中產生地表徑流的降雨，一般是強度較大的暴雨，入滲強度小于降雨強度而形成徑流，與前人研究結果［16］一致;或者是強度不大但持續不斷的中小雨，表層土壤達到飽和后繼而形成徑流。不同覆膜條件下，全膜平作地表徑流的流速快且流量多;條膜之間的土壤行距能使一部分降雨滲漏淋溶，一定程度上可以阻止地表徑流流失;全膜壟作壟溝間蓄積大量雨水，地膜接縫處雨水自然滲透，增加了降水向下的淋溶效果，但是要注意壟的保護和定期維護。

(2)優化施肥處理地表徑流中的氮、磷質量濃度較CK 和CON 處理高。肥料施用量是影響地表徑流中氮、磷質量濃度的主要因素，施肥增加了地表徑流中氮、磷的質量濃度，農作措施的影響相對較小。王春梅等研究表明，肥料的大量使用是造成菜地地表徑流氮、磷流失的重要原因［17］;魯耀等認為，不同農業措施主要通過地表徑流量影響坡耕地氮、磷流失的多少［18］;林超文等認為，在玉米整個生長季，降雨產生的地表徑流中總磷的質量濃度變化受耕作措施的影響較?。?4］。本試驗結果表明，即使不施任何肥料，只要有地表徑流產生便會有氮、磷流失，對農田水體環境形成威脅。

(3)施肥量相同的情況下，橫坡平作+全膜覆蓋的氮、磷流失量最大，帶走養分也最多;施肥量增加，氮、磷的流失總量與流失系數相應提高。優化施肥、橫坡壟作和秸稈覆蓋等農藝措施能降低氮、磷流失量，尤其是橫坡壟作種植相對于順坡壟作氮、磷流失量降低了2/3 左右［18］。王云等研究表明，徑流水氮、磷養分流失總量與施肥量呈正比［19］。本試驗得出相同的結論，施肥和徑流量是影響地表徑流氮、磷流失的主要因素，施肥導致氮、磷養分流失量增加，徑流量大產生的氮、磷流失量相應也大。硝態氮流失量較銨態氮大，是因為硝態氮比較容易流失。氮素流失量明顯高于磷素，可能是因為磷素在土壤中吸附固定作用很強，不易被雨水淋溶損失。

(4)優化施肥處理的玉米產量都高于CK 處理和CON 處理，CON 處理高于CK 處理。OPT +TR +FM +NT 處理產量最高，達到6 907．78 kg/hm2，較對照增產19．53%，差異顯著。這一結論與前人研究結果一致，認為施用緩控釋肥或優化氮磷鉀肥配比可提高玉米產量和肥料利用率［20－22］。本試驗中OPT + TR + FM +NT 處理產生的徑流量最少，帶走的氮、磷養分少，有利于作物產量的提高。結合氮、磷流失量考慮，黃綿土陡坡地種植稀播作物的最佳模式為OPT + TR + FM +NT，既能保持作物穩產增產，又能防止水土流失，減少氮、磷流失造成的面源污染。本試驗結果與陳玲［23］等的研究結果一致，認為采取橫坡壟作、平衡施肥等保護性耕作措施可減少養分流失;但何曉玲等認為橫坡壟作并不是一種綜合效益很好的耕作措施，平作控制水土流失效果更好［24］。這可能與土質、坡度大小等有關。本研究中，整個玉米生育期坡底的玉米長勢一直處于劣勢，可能是由于自上而下徑流量大小不同，越到坡底徑流量匯聚越多，帶走的養分也越多，導致作物不能充分吸收利用;也可能是因為斜坡頂部接受日照的時間長，溫度較底部高，因而作物長勢較坡地好。對于這一現象的產生原因，試驗還將進一步探究。

［1］王歐，方炎．農業面源污染的綜合防治與補償機制的建立［C］//全國農業面源污染與綜合防治學術研討會論文集．北京:中國農學會，2004:18－19．

［2］Smith D R，Huang C．Assessing nutrient transport following dredging of agricultural drainage ditches［J］．Transactions of the ASABE，2010，53(2):429－436．

［3］朱兆良，孫波，楊林章，等．我國農業面源污染的控制政策和措施［J］．科技導報，2005，23(4):47－51．

［4］張維理，武淑霞，冀宏杰，等．中國農業面源污染形勢估計及控制對策Ⅰ．21 世紀初期中國農業面源污染的形勢估計［J］．中國農業科學，2004，37(7):1008－1017．

［5］彭華，紀雄輝，劉昭兵，等．洞庭湖地區長期施肥條件下雙季稻田生態系統凈碳匯效應及收益評估［J］．農業環境科學學報，2009，28(12):2526－2532．

［6］南秋菊，華珞．國內外土壤侵蝕研究進展［J］．首都師范大學學報:自然科學版，2003，24(2):86－94．

［7］吳電明，夏立忠，俞元春，等．坡耕地氮磷流失及其控制技術研究進展［J］．土壤，2009，41(6):857－861．

［8］李裕元，邵明安，鄭紀勇，等．黃綿土坡耕地磷素遷移與土壤退化研究［J］．水土保持學報，2003，17(4):3－7．

［9］邱學禮，李軍營，李向陽，等．云南曲靖烤煙坡耕地不同農作處理的水土流失特征［J］．中國水土保持科學，2012，10(6):98－103．

［10］何丙輝，黃巍，郭甜，等．不同施肥處理對紫色土坡耕地地表徑流磷素流失的影響［J］．重慶師范大學學報:自然科學版，2012，29(3):42－47．

［11］梁斐斐，蔣先軍，袁俊吉，等．降雨強度對三峽庫區坡耕地土壤氮、磷流失主要形態的影響［J］．水土保持學報，2012，26(4):81－85．

［12］司友斌，王慎強，陳懷滿．農田氮、磷的流失與水體富營養化［J］．土壤，2000，32(4):188－192．

［13］張壯志，孫磊，常維山．水體富營養化中的氮素污染及生物防止技術研究現狀［J］．山西農業大學，2008，36(6):13－15．

［14］林超文，龐良玉，陳一兵，等．不同耕作方式和雨強對紫色土坡耕地降雨有效性的影響［J］．生態環境，2008，17(3):1257－1261．

［15］張麗，劉玲花，程東升，等．不同農藝措施對坡耕地水土及氮磷流失的控制［J］．水土保持學報，2009，23(5):21－25．

［16］張麗萍，張妙仙．土壤侵蝕正態模型實驗中產流畸變系數［J］．土壤學報，2000，37(4):449－455．

［17］王春梅，蔣治國，趙言文．太湖流域典型蔬菜地地表徑流氮磷流失［J］．水土保持學報，2011，25(4):36－40．

［18］魯耀，胡萬里，雷寶坤，等．云南坡耕地紅壤地表徑流氮磷流失特征定位監測［J］．農業環境科學學報，2012，31(8):1544－1553．

［19］王云，徐昌旭，汪懷建，等．施肥與耕作對紅壤坡地養分流失的影響［J］．農業環境科學學報，2011，30(3):500－507．

［20］李恩堯，邱亞群，彭佩欽，等．洞庭湖紅壤坡地減氮控磷對玉米產量和徑流氮磷的影響［J］．水土保持學報，2011，25(4):32－35．

［21］李志勇，王璞，Marion B Z，等．優化施肥和傳統施肥對夏玉米生長發育及產量的影響［J］．玉米科學，2003，11(3):90－93，97．

［22］譚德水，江麗華，張騫，等．南四湖過水區不同施肥模式下農田養分徑流特征初步研究［J］．植物營養與肥料學報，2011，17(2):464－471．

［23］陳玲，劉德富，宋林旭，等．香溪河流域坡耕地人工降雨條件下土壤氮素流失特征［J］．生態與農村環境學報，2012，28(6):616－621．

［24］何曉玲，鄭子成，李廷軒，等．玉米種植下紫色坡耕地徑流中磷素流失特征研究［J］．農業環境科學學報，2012，31(12):2441－2450．